La ceniza de carbón es el subproducto menos notorio de las centrales eléctricas de carbón. Son los residuos sólidos residuales que provienen de la quema de carbón. Si bien no tiene la misma reputación deletérea que sus contrapartes aerotransportadas, decenas de millones de toneladas de ceniza se acumulan en los vertederos cada año. Ahora, los investigadores de la Universidad de Drexel creen que han encontrado un uso para el residuo en polvo, uno que podría ayudar a que el concreto sea más duradero y libre de grietas.

Recientemente publicado en la revista Cement and Concrete Composites, su descubrimiento es un método para convertir las cenizas residuales en un aditivo de hormigón especial que ayuda a fortalecer su estructura interna al promover un proceso de endurecimiento uniforme desde adentro hacia afuera. Este aditivo, un de alto rendimiento, agregado funcional:podría acortar el tiempo que tarda el concreto en endurecerse y mejorar su durabilidad al reducir el potencial de formación de grietas, según los investigadores.

Solo la mezcla correcta

El hormigón está hecho de una mezcla de polvo fino y partículas de roca gruesa, llamados agregados, unida por un pegamento mineral llamado "matriz cementante, "hecho de cemento y agua. Los agregados forman la fuerte estructura interna del concreto a medida que la matriz de cementación se endurece para unir los ingredientes en un proceso llamado curado. Para que el concreto alcance su máxima durabilidad, el cemento debe mezclarse bien con agua durante el proceso de curado para que todo se seque y cure al mismo tiempo.

"Esta es una parte muy importante del proceso porque si el hormigón se seca demasiado rápido durante su curado, debido a la escasez de agua añadida, puede formar grietas y otros defectos. Estas grietas por contracción por secado hacen que la superficie sea susceptible a la entrada de fluidos agresivos, lo que crea problemas de durabilidad del concreto como corrosión, daño por sal, o daños por congelación-descongelación, "dijo Yaghoob Farnam, Doctor., profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de Drexel e investigador principal de la investigación.

Para garantizar un curado uniforme, hay una serie de cosas que los contratistas de concreto pueden tener que hacer, incluida la pulverización constante del hormigón, cubriéndolo con una membrana para mantenerlo húmedo, sumergiéndolo en agua o creando charcos de agua en su superficie. Todas estas estrategias consumen tiempo y recursos y son lo suficientemente complejas como para que se introduzcan fallas en el proceso. Para ayudar a prevenir esto, En la última década, los investigadores han desarrollado un concepto de curado interno que utiliza agregados livianos porosos para ayudar al proceso de curado. El agregado puede mantener un nivel constante de humedad dentro del concreto para ayudarlo a curar uniformemente desde adentro hacia afuera.

"El uso de un agregado liviano de alto rendimiento en el concreto puede ser una solución para proporcionar adecuadamente suficientes depósitos de agua dentro del concreto, ya que se necesita agua con el tiempo para curar la matriz cementosa, "Dijo Farnam.

Trabajar con hormigón es difícil

El hormigón es uno de los materiales de construcción más utilizados en el mundo. Es el material de elección para la mayoría de las carreteras nuevas de gran volumen, edificios puentes y muchas otras estructuras debido a su durabilidad y relativa facilidad de aplicación.

Pero un inconveniente del uso de concreto es que requiere las condiciones atmosféricas adecuadas para permitir una mezcla adecuada e incluso un curado, no demasiado caliente, no tan frío, no demasiado seco.

Obtener la cantidad exacta de humedad dentro del concreto es difícil porque el polvo y los agregados forman una matriz cementante apretada que es difícil de penetrar una vez que comienza a secarse. Si el exterior del hormigón se seca antes de que el interior se cure, puede resultar en una estructura más débil. Como resultado, los contratistas básicamente tienen una oportunidad para obtener la proporción de líquido a sólido perfecta, Mezclar y verter el hormigón de forma rápida y completa antes de que empiece a secarse.

"Este es un problema común en concreto, el llamado 'secado de hormigón, 'crea grietas por secado y menor resistencia y durabilidad del hormigón, "dijo Mohammad Balapour, investigador doctoral en el laboratorio de Farnam y autor principal del artículo.

Encontrar una cura

Para dar a los contratistas más libertad de acción en el proceso, El equipo de Farnam, en colaboración con miembros de la facultad de Drexel's Civil, Arquitectónico, y Departamento de Ingeniería Ambiental, Grace Hsuan, Doctor., y Sabrina Spatari, Doctor., así como E.J. Garboczi, Doctor., del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, analizó cómo se pueden desarrollar agregados ligeros funcionales a partir de cenizas de carbón y utilizarlos en el hormigón.

La industria del hormigón tiene acceso limitado a áridos ligeros naturales o sintéticos, según Farnam, debido a su dependencia de fuentes limitadas de material agregado. El laboratorio de Farnam quería diseñar un producto agregado que tuviera características óptimas para mezclar, fuerza y ​​porosidad, y encuentre la manera de hacerlo a partir de un material de desecho abundante.

"La solución que se nos ocurrió fue reciclar este producto de desecho, ceniza de carbón, en un poroso, agregado liviano con excelentes características de rendimiento que podría producirse a un costo menor que las opciones naturales y sintéticas actuales, Farnam dijo. "Este material y proceso no solo beneficiaría a la industria del hormigón al mejorar la calidad de sus productos, pero también podría ayudar a mantener las cenizas de carbón fuera de los vertederos ".

El material que obtuvieron se llama "agregado reactivo poroso esférico" —SPoRA, para abreviar. Se elabora combinando la ceniza con productos químicos que facilitan la sinterización y unión de los agregados, formándolos en pequeñas esferas y luego horneándolos a 1, 160 grados centígrados durante unos minutos.

El producto final es un granulado agregado que puede contener casi la mitad de su peso en agua, que es mejor que los agregados ligeros tradicionales. Y, igualmente importante, puede liberar esa agua a un ritmo regular desde el interior a la matriz de cementación a medida que se cura.

En el documento, informan que dos tipos de SPoRA funcionan mejor que algunos materiales agregados ligeros tradicionales:esquisto, arcilla y pizarra, y vidrio espumado, en medidas de forma, porosidad, peso relativo y capacidad para absorber y liberar agua. Todas estas son métricas clave relacionadas con su capacidad para integrarse con la mezcla de cemento y liberar su humedad en el momento adecuado y en la parte adecuada de la estructura a medida que se forma.

"A medida que el hormigón comienza a curar en el exterior, los gránulos agregados también están liberando su humedad para ayudar a curar también desde adentro hacia afuera, "Balapour dijo." Este enfoque puede ayudar a maximizar la durabilidad del hormigón. Y el proceso de fabricación de SPoRA es lo suficientemente simple como para producir agregados de cualquier tamaño y capacidad de agua, por lo que creemos que podría utilizarse para una serie de aplicaciones en la industria de la construcción ".

El reciclaje de un producto de desecho como la ceniza de carbón no solo reduce el costo de fabricación de agregados livianos, pero también asegura que los productores de hormigón tengan acceso a él.

"Tomar algo que es un producto de desecho, con montañas en los vertederos, y convertirlo en un producto útil es un excelente ejemplo de cómo la ciencia puede ayudar a encontrar soluciones sostenibles a los desafíos de la sociedad, ", Dijo Farnam." Esto no solo ayuda a proteger nuestro entorno natural, sino que también ayudará a mejorar nuestro entorno construido ".